[发明专利]基于石墨烯的染料敏化太阳能电池复合光阳极及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于染料敏化太阳能电池领域，涉及一种基于Nafion功能化的石墨烯的染料敏化太阳能电池复合光阳极。

背景技术

在能源不断枯竭，环保意识不断增强的今天，太阳能电池的应用得到了广泛的关注。目前应用最多的是硅太阳能电池，但是这种电池成本高且制备工艺复杂，所使用的材料是窄带隙半导体材料，仅在紫外区有一定的吸收。相对于这种窄带隙半导体，宽带隙半导体材料有较高的热稳定性和光化学稳定性，有研究者提出，将适当的染料吸附到宽带隙半导体表面上，借助于染料对可见光的强吸收，克服半导体本身弱捕获太阳光的缺陷，也可以将半导体的光谱响应拓宽到可见区，这种电池就是染料敏化太阳能电池(DSSC)。

典型的DSSC电池由透明导电玻璃、多孔纳米薄膜与染料、电解质以及铂对电极组成。其基本工作原理为：可见光照射在电极上时，阳极上染料分子在可见光的作用下通过吸收光能而跃迁到激发态，由于激发态不稳定，通过染料分子与半导体颗粒表面的相互作用，电子很快跃迁到较低能级的半导体颗粒导带，进入导带的电子通过扩散富集进入导电玻璃的导电膜，然后通过外回路产生光电流。染料分子从电解质溶液中获得电子而被还原成基态，电解质中被氧化的电子扩散至对电极，这就完成了一个光电化学反应循环(J.E.Moser，P.Bnnote，M.Gratzel，Coordination Chemistry Reviews，171，1998：245)。这样的太阳能电池与其它已成熟的太阳能电池相比，具有成本低、寿命长、结构简单易于规模生产且应用范围广等显著的优点。

迄今为止，由于光电转化效率的限制，染料敏化太阳能电池的应用受到了限制，最主要的原因就是当电子在多孔纳米薄膜中传输时，很可能并没有扩散进入导电玻璃的导电膜上，而是与电解质中的空穴复合，降低光电转换效率。因此提高光电子在多孔纳米薄膜电极中的传输速率可以有效地避免与空穴复合的几率，大大增强光电转化效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，提供一种基于石墨烯的染料敏化太阳能电池复合光阳极及制备方法，将具有优异电子传输性能的石墨烯引入到多孔纳米薄膜阳极中。

所述复合光阳极为在基底上涂敷一层含有石墨烯的陶瓷浆料形成半导体薄膜；或先在工作电极基底上涂敷一层氧化物进行前处理后再涂敷一层含有石墨烯的浆料形成半导体薄膜；或在经过前处理的石墨烯的半导体薄膜的电极基础上再进行涂敷一层氧化物的后处理形成基于石墨烯的染料敏化太阳能电池的复合光阳极。

所述前或后处理涂敷的氧化物为TiO₂，ZnO，SnO₂，Nb₂O₅，Al₂O₃，In₂O₃，CuO和SiO₂中一种或一种以上氧化物。

所述基于石墨烯的染料敏化太阳能电池的复合光阳极，制备方法包括如下步骤：

(1)用天然石墨粉为原料，按在每克石墨中加入0.1-5g硝酸钠、加入10-100ml浓硫酸和加入0.5-10g高锰酸钾，然后在≤20℃温度条件下均匀混合，随后升温至30-40℃反应20-40min。向上述混合溶液中缓慢加入去离子水稀释，升温至90-100℃反应15-20min，再在每克石墨中加入5-50ml过氧化氢溶液；然后将上述溶液离心过滤，并用稀盐酸溶液洗涤除去金属离子，再用去离子水洗涤除去多余的酸，并多次用水洗涤至中性，最终得到氧化石墨片水溶液，再将其进行超声处理，得到黄褐色的均一分散的氧化石墨片溶液。

(2)取上述均一分散的氧化石墨片溶液，按一定比例加入Nafion水溶液和乙醇，控制水与乙醇的体积比为1∶1，然后加入还原剂水合肼，在70-90℃条件下搅拌20-24h，经还原反应后，将所得到的产物进行超声处理，然后离心去除少量沉淀，离心得到的稳定的黑色悬浮液为Nafion功能化的石墨烯溶液。Nafion的参与增强了石墨烯的分散性，抑制石墨烯的团聚，图1为Nafion功能化的石墨烯的透射电子显微镜(TEM)照片图。

(3)将上述石墨烯与陶瓷纳米颗粒按照质量比为1∶3000-1∶100的比例混合，再加入一定量的易挥发的溶剂、粘结剂和分散剂，强力搅拌直至形成粘稠的浆体。